0 引言

　　隨著科技的發(fā)展，計算機技術、數(shù)字化技術以及信息技術應用于傳統(tǒng)家電，使家電具備智能化和信息網(wǎng)絡功能，即智能家電，智能家用電器體現(xiàn)了家用電器最新技術面貌。另外，智能家電的節(jié)能和環(huán)保功能也成為了智能家電發(fā)展的一個趨勢。為了實現(xiàn)智能家電的智能功能，就需要用到實現(xiàn)這些功能的專用芯片（ASIC），因此給這些專用集成芯片提供電源，成為一個至關重要的問題。阻容降壓穩(wěn)壓電源設計簡單，元件少，制造和使用都較可靠，在家電、照明等行業(yè)大量應用[1，2]。

　　早期穩(wěn)壓電源電路包括：降壓變壓器、整流二極管或整流橋、濾波電容及穩(wěn)壓環(huán)節(jié)組成[3]。由于其消耗有色金屬，體積大，價格高，安裝不便，為克服這些缺陷，出現(xiàn)了阻容降壓穩(wěn)壓電路。如圖1所示，阻容降壓穩(wěn)壓電路節(jié)省了大體積的變壓器，因此體積、重量及成本都大大降低。

1 阻容降壓穩(wěn)壓電路的設計與分析

　　1.1 阻容降壓穩(wěn)壓電路設計

　　本文所設計的阻容降壓穩(wěn)壓電路如圖2所示，F(xiàn)use為保險絲，參數(shù)選取為 1 A/250 V，當輸入端流入大電流，保險絲熔斷，從而保護阻容降壓穩(wěn)壓電路器件不被損壞。壓敏電阻R0選取14D471K，用來防浪涌，能夠起到保護作用；限流電阻R1、泄放電阻R2和限流電容C1構成阻容降壓電路；D1半波整流二極管，D2在市電的負半周時給C1提供放電回路；D3、R6為初級穩(wěn)壓電路，R3、C2組成濾波電路，R4、Q1、D4構成串聯(lián)穩(wěn)壓電路。

　　1.2 阻容降壓及整流電路原理及分析

　　雖然利用變壓器降壓，可以得到穩(wěn)定的電壓與較高的效率，由于變壓器包含繞制線圈，會占用很大的空間，在實際布線與安裝時就會造成一定的困難；另一方面，對于企業(yè)來說，利用變壓器降壓，成本也會增加；阻容降壓的核心元件是一個電阻和電容并聯(lián)，實際上就是利用容抗限流。而電容器起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色，限流（降壓）電容器C1一定要選擇耐壓高的，通常要大于兩倍的電源電壓，因為當阻容降壓電路空載時，輸出電壓只有三十多伏，市電220 V電壓大部分都加到電容C1上。

　　電容C1的取值，取決于通過的電流，當電容連接到交流電路中，電容C1的容抗為：

　　式中，XC1為電容的容抗，f為交流電源的頻率，C1為電容的容量。因此流過阻容降壓電路的電流為：

　　當采用半波整流時，由于只有交流電的半個周期通過，所以有：

　　因此在市電220 V電壓下，每微法的電容得到的電流大小為：

　　。

　　R2為泄放電阻，當正弦波在最大峰值時刻被切斷時，電容C1上殘存電荷無法釋放，會長久存在，如果人體接觸到C1的金屬部分，就會有強烈的觸電可能，而電阻R2的存在，能夠將殘存的電荷泄放掉，從而保證人、機安全。泄放電阻的阻值和電容的大小有關，一般電容的容量越大，殘存的電荷越多，泄放電阻的阻值就要選小一些的。經(jīng)驗數(shù)據(jù)如表1所示。

　　D1為半波整流二極管，雖然半波整流效率僅是全波整流的一半，但不推薦使用橋式整流，因為在電路中總希望整個電路只有一個公共參考點即接地點。當采用阻容降壓方式進行交直流轉換時，如果采用橋式整流，在交流端和直流端不可能只有一個公共參考點，當交流端的零線和火線反接時，直流端的參考點可能會帶電，因此這種做法不安全。當采用半波整流時，可以保證交直流端的參考點都接到交流端的零線上，在電路調試時可以保證相對安全一些，這非常重要，因此使用半波整流電路。

　　對于半波整流二極管的選擇，因為要考慮到電網(wǎng)電壓有正負10%的波動，因此整流二極管的最大平均電流IF和最高反向工作電壓URM也應至少保留10%的余地，從而保證二極管安全工作，即選取：

　　其中U和RL為阻容降壓后的輸出電壓和電路負載。

　　1.3 穩(wěn)壓電路分析

　　本文所設計的初級穩(wěn)壓電路模型如圖3所示，在圖3中，R為限流電阻，rZ為穩(wěn)壓管的內阻，RL為等效負載。

　　在初級穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管的電流調節(jié)作用，通過限流電阻R上電壓或電流的變化進行補償，達到穩(wěn)壓的目的。該電路的穩(wěn)壓系數(shù)Sr。當RL為常數(shù)時。

　　為使Sr數(shù)值小，需增大R；但在Uo和負載電流確定的情況下，若R的取值大，則Ui的取值也會變大，這樣導致Sr變大。因此初級穩(wěn)壓電路的Sr值一般在0.01左右，初級穩(wěn)壓后輸出電壓的紋波系數(shù)比較大，因此初級穩(wěn)壓性能較差。

　　初級穩(wěn)壓后輸出的紋波系數(shù)較大，不能滿足后級芯片輸入電壓的要求，引入串聯(lián)穩(wěn)壓電路，如圖4所示，該電路中引入深度電壓負反饋使輸出電壓穩(wěn)定，達到輸出電壓Uo在Ui變化或負載電阻RL變化時，輸出電壓基本不變。

　　對于圖4所示的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，當電網(wǎng)電壓波動引起Ui增大，或負載電阻RL增大時，輸出電壓Uo將隨著增大，晶體管T發(fā)射極電位UE升高；由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變，晶體管T的UBE減小，晶體管基極電流Ib減小，發(fā)射極電流Ie也減小，從而使Uo減小；當電網(wǎng)電壓波動引起Ui減小，或負載電阻RL減小時，輸出電壓Uo將隨著減小，晶體管T發(fā)射極電位UE降低；由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變，晶體管T的UBE增加，晶體管基極電流Ib增大，發(fā)射極電流Ie也增大，從而使Uo增大；因此可以保持輸出電壓Uo保持不變。

2 電路仿真和測試

　　本文采用NI公司的Multisim軟件對阻容降壓的穩(wěn)壓電路進行設計和仿真。圖5～圖7為整個阻容降壓穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)分析仿真結果，瞬態(tài)分析掃描時間為1.5 s。圖5為市電220 V經(jīng)阻容降壓和半波整流后的輸出電壓仿真波形，可以看出輸出電壓的紋波比較大，交流分量大（即脈動大）；并且會隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動，因此只適用于對脈動要求不高的場合。圖6為初級穩(wěn)壓輸出的仿真圖，可以看出，經(jīng)過初級穩(wěn)壓后，電壓紋波變小，但穩(wěn)壓系數(shù)仍較大，電壓穩(wěn)定在24 V左右，僅能滿足對穩(wěn)壓性能要求不高的場合。圖7為阻容降壓穩(wěn)壓電路最終輸出電壓仿真情況，穩(wěn)壓電路輸出電壓紋波消失，輸出電壓最終穩(wěn)定在5.085 9 V，同時該阻容降壓穩(wěn)壓電路的從上電到穩(wěn)壓的時間約為241.706 2 ms，滿足高性能電路的穩(wěn)壓需要。

　　根據(jù)阻容降壓穩(wěn)壓電路的原理圖2，實際的阻容降壓穩(wěn)壓電路的測試結果如圖8所示，圖8(a)為電路上電瞬間的輸出波形，由于電路從上電到穩(wěn)壓的時間很短，所以波形很陡。圖8(b)為最終穩(wěn)壓電路的輸出電壓，輸出穩(wěn)壓的平均值為5.04 V，最大值為5.12 V，最小值為4.96 V，與穩(wěn)壓電路仿真結果5.085 9 V僅相差0.045 9 V，因此穩(wěn)壓性能很好，滿足對輸入電壓為5 V專用芯片（ASIC）供電要求。

3 結論

　　本文介紹阻容降壓穩(wěn)壓電路的基本原理，設計出實用的穩(wěn)壓電路，通過具體的仿真分析和對實際電路的測試，結果表明該阻容降壓穩(wěn)壓電路能夠輸出穩(wěn)定電壓為5.04 V；與仿真分析的理想數(shù)值僅相差0.045 9 V，同時，該電路結構簡單，制造成本比較低，工作性能良好，可靠性高，在輸入電壓、負載、環(huán)境溫度等參數(shù)發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定，能為ASIC芯片提供穩(wěn)定電源電壓，目前該阻容降壓穩(wěn)壓電路已經(jīng)廣泛應用于具體電子產(chǎn)品中。

參考文獻

　　[1] 戴修敏．阻容降壓電源的起火分析與改進[J]．電子技術應用，2015，41(1)：142-144.

　　[2] 錢江山．智能家電控制技術研究[D]．杭州：浙江大學，2007.

　　[3] 童詩白，華成英．模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2011．